Untersuchungen auf dem Gebiet der Schweißung von Kunststoffen: Ein Beitrag zur Heißgas-Schweißung von Weich-Polyvinylchlorid mit Zusatzwerkstoff PDF
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FORSCH U NGSBE RICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORDRH EIN-WESTFALE N Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Leo Brandt Nr.355 Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler Dr.-Ing. Heinz Peukert Dipl-Ing. August Kleine-Albers Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.-Westf. Technischen Hochschule Aachen Untersuchungen auf dem Gebiet der Schweißung von Kunststoffen Ein Beitrag zur Heißgas-Schweißung von Weich-Polyvinylchlorid mit Zusatzwerkstoff SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1957 ISBN 978-3-322-98322-0 ISBN 978-3-322-99043-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-99043-3 Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1957 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e der u n g . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Einführung •••• .- s. 5 1.1 Zustandsformen und Anwendungsbereiche von Hart- und Weich-Polyvinylchlorid • • • •• • • • • • • • • • s. 5 . . . . . . . . . . . 1.2 Technisches Weich-PVC S. 7 1.3 Die SChweißung, ein Verbindungsverfahren für Kunst- stoffe im thermoplastischen Werkstoffzustand • • • •• S. 13 2. Untersuchung der Heißgasschweißung mit Zusa~zwerkstoff . . an Weich-PVC • • • • • • •• • • • • • • S. 19 . . . 2.1 Versuchsaufbau und Versuchswerkstoff • S. 19 • • • . . . . . 2.2 Versuchs durchführung und Versuchsergebnisse S. 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Zusammenfassung S. 28 4. Literaturverzeichnis • • • • • • • • • • • • • • • • • • • s. 30 Sei te 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Einführung Die Schweißung gehört zu den unlösbaren technischen Verbindungsverfahren. Bei metallischen Werkstoffen erfolgt sie durch örtliche Erwärmung der Verbindungsfugen über den Schmelzpunkt. Die Teile werden im Schmelzfluß mit oder ohne Zusatzwerkstoff verbunden. Die Schweißung der thermoplastischen Werkstoffe - duroplastische Werkstof fe sind nicht schweißbar - erfolgt durch Andrücken der unter Temperaturein wirkung zähviskosen, plastischen Oberflächen. Die Verbindung vollzieht sich demnach nur innerhalb einer plastischen Grenzschicht. Sie kommt nur unter Bedingungen (Temperatur und Druck) zustande, die für jeden Werk stoff spezifisch sind. Das plastische Verhalten der Grenzschicht hängt von dem Werkstoff, die Erwärmung und das Aufbringen des Druckes vom angewen deten Verfahren ab. Aufgabe dieser Untersuchungen ist eine technisch sinnvolle Abstimmung der einzelnen Einflußgrößen. Bei einfacher Herstellungsmöglichkeit soll eine möglichst hohe Festigkeit der Verbindung erzielt werden. 1.1 Zustandsformen und Anwendungsbereiche von Hart- und Weich-Polyvinyl chlorid Das weichgemachte Polyvinylchlorid (kurz Weich-PVC) gehört zur Werkstoff gruppe der thermoplastischen Kunststoffe. Durch Einarbeiten von Weichma chungsmitteln wird der PVC-Werkstoff in seinen Eigenschaften wesentlich verändert. Obwohl Weich-PVC bei Raumtemperatur gummiartig weich ist, - im Gegensatz zum Hart-PVC -, weist es gleichfalls die drei kennzeichnen den Zustandsbereiche eines Thermoplasten auf, die in neuerer Zeit einge hend beschrieben wurden (1,2,3). Diese drei Zustandsformen sind bei PVC weniger scharf voneinander getrennt als z.B. bei Akrylglas oder auch Polystyrol. Es sind (4,5): 1) der harte Werkstoffzustand im Gebiet unter der Einfriertemperatur des Werkstoffes. Der Werkstoff ist hart bis glas spröde 2) der Zustand der kautschukartigen Hochelastizität oder Thermoelastizi tät im Gebiet zwischen Einfrier- und Fließtemperatur. Der Werkstoff ist kautschukartig elastisch Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 3) der Zustand der Thermoplastizität im Gebiet zwischen Fließ- und Zer setzungstemperatur. Der Werkstoff ist zähviskos bis flüssigkeitsähnlich. Die Temperaturlage der Zustandsbereiche entscheidet über die Verarbeitung$ art und die Gebrauchsmöglichkeit eines thermoplastischen Werkstoffes. Die Abbildung 1 gibt schematisch diese Zusammenhänge wieder. ~ZT Z.,tMd,form -P:iSCh ! i I I V.rarb.itung,mögli'hk." : AnW ••d ung;b.r.i.h I1 " ...f orm,. S.'w.i• •• Eigenschaftswerte a - ZugtestigkeitoB b = Dauerstandsfestigkeit 6' J)st C; GesamtdehnungG'g 50 o 50 100 150 Temperatur A b b i 1 dun g 1 Zustandsbereiche und Verarbeitungsmöglichkeiten thermoplastischer Werkstoffe ET Einfriertemperaturbereich FT Fließtemperaturbereich ZT = Zersetzungstemperaturbereich Die festen thermoplastischen Kunststoffe können sich bei Raumtemperatur im ersten oder im zweiten Zustandsgebiet befinden. Entsprechend gehören sie in der ersten Zustandsform zu den harten, in der zweiten Zustandsform zu den weichen Werkstoffen. Harte thermoplastische Werkstoffe nennt man demnach diejenigen Kunststoffe, die sich bei Raumtemperatur in der harten Zustandsform befinden, d.h. deren Einfriertemperatur wesentlich über Raumtemperatur liegt. Die Härte und Sprödigkeit wird mit wachsender Differenz zwischen Anwendungstempera tur und Einfriertemperatur größer. Seite 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen In diesem Bericht soll aus dieser Werkstoffgruppe nur Hart-PVC genannt werden. Seine Einfriertemperatur liegt zwischen 77 und 82oC. Zu den Werkstoffen der zweiten Gruppe müssen wir auch das Weich-PVC zäh len, dessen Einfriertemperatur je nach Menge und Type des eingearbeiteten o Weichmachungsmittels zwi3chen -30°C und +82 C liegen kann. Der Ausgangs rohstoff ist derselbe wie beim Hart-PVC, durch Einarbeiten des Weichma chers wird die Einfriertemperatur nach unten, gewöhnlich bis unter Raum temperatur, verschoben. Weich-PVC ist also ein durch Weichmachungsmittel in seinen Eigenschaften veränderter Werkstoff, der sich bei Raumtempera tur im gummielastischen Zustand, im Hochelastizitätszustand, befindet und in dieser elastischen Zustandsform angewendet wird (Abb. 2). Bart PVC ET Weich PVC 50 o 200 cJ [0 Temperatur ----1._ . . A b b i 1 dun g 2 Gebrauchsbereiche von Hart-PVC und von Weich-PVC nach W. BUCHMANN (6) 1.2 Technisches Weich-PVC Als technisches Weich-PVC (Handelsnamen sind u.a. Weich-Igelit, Weichmi polam, Decelith W, Gutasyn) wird weichgemachtes PVC bezeichnet, das mehr % als 20 Weichmacher (WM) enthält und in Tafeln und Plattenform als Folien, Bänder, Rohre und sonstige Profile im Handel ist. Der Zusatz "für techni sche Zwecke" kann bedeuten, daß nicht unbedingt physiologisch einwandfreie Weichmacher verwendet wurden. 1.21 Die Herstellung von Weich-PVC Am Ende eines vielstufigen chemischen Prozesses wird durch Anlagerung von Salzsäure ah Azetylen das Monomere Vinylchlorid gewonnen, das nach dem Seite 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Emulsions- oder neuerdings auch vielfach nach dem Suspensionsverfahren in das Polyvinylchlorid (PVC) überführt wird und als weißes PVC-Pulver an fällt. Dieses pulverförmige Polymerisat bildet den Ausgangswerkstoff für die einzelnen Verfahren der Weiterverarbeitung. Je nach Verwendungszweck können Folien, Platten und Rohre sowie sonstiges Halbzeug hergestellt werden. Im Mischer werden dem PVC-Pulver Stabilisa toren, Einfärbemittel und gegebenenfalls auch weichmachende Substanzen bei gemischt. Das Gemisch wird in Walzwerken oder Schneckenmaschinen unter Druck und Temperatur (140 - 2000 C) plastifiziert und als Rohre, Platten, Bänder oder Folien ausgeformt. Setzt man dem hochmolekularen PVC Weichmachungsmittel zu, so lassen sich alle Weichheitsgrade von der Hartfolie bis zur zähviskosen Paste einstel len. Es können also aus dem gleichen Rohstoff je nach Wunsch in einfacher Weise alle Stufen der Schmieg- und Biegsamkeit eingestellt werden. Gerade diese letzte Eigenschaft und die fast unbegrenzte Einfärbemöglichkeit hat dem PVC ein breites Anwendungsgebiet erschlossen. Es soll aber diesem Zusammenhang auch auf eine zweite, wenn auch we ~n sentlich schwierigere und begrenztere Möglichkeit hingewiesen werden, die von PVC einzustellen. Es läßt sich über eine Steuerung des Stufig~eit Polymerisationsprozesses auch niedermolekulares PVC erzeugen, das in sei nem Verhalten weichgemachtem PVC ähnlich ist und als wesentlichen Vorteil nicht durch Weichmacherverlust versprödet und angrenzende nicht weichge machte hochpolymere Stoffe durch Weichmacherwanderung gefährdet. Es ste hen aber einer großtechnischen Erzeugung erhebliche Schwierigkeiten im Weg, so daß man heute überwiegend PVC mit weitgehend gleichem Molekular gewicht und entsprechend konstanten physikalischen und chemischen Eigen schaftswerten herstellt. Das Molekulargewicht wird technisch als sogenann ter K-Wert angegeben. Er bewegt sich bei härteren PVC-Typen zwischen K = 60 und K = 75. Der K-Wert ist ein Zähigkeitswert des in Lösung befind lichen PVC. Die Zähigkeitsmessung dieser Lösung ersetzt andere umst~nd lichere Bestimmungsverfahren für das Molekulargewicht und hat sich in der Praxis durchgesetzt. - Es kann also zusammenfassend festgestellt wer den, daß Weich-PVC durch Einarbeiten von Weichmachungsmitteln in hoch polymeres PVC-Pulver hergestellt wird. Auch bei Raumtemperatur läßt es sich gummiartig-weich bis lederhart einstellen. Seite 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Die Weichmachungsmittel sind praktisch nicht flüchtige Quellungsmittel (vorwiegend Ester), die sich zumeist ringförmig um die Molekülketten le (7). gen (Abb. 3) Diese sogenannte Solvathülle zwischen den einzelnen Fä den verringert so den inneren mechanischen Zusammenhalt des Fadenknäuels. Man könnte den Weichmacher als Schmiermittel zwischen den einzelnen Mole külketten bezeichnen, wodurch die Bieg- und Schmiegsamkeit des Fertigpro duktes ermöglicht wird. a) nicht solvatisierend b) solvatisierend A b b i 1 dun g 3 Solvatisierende und nicht solvatisierende Quellung Die Quellung ohne Solvatation tritt vorwiegend bei und wäßrigen Wa~ser Medien auf. Sie führt in der Regel Dei geringen Mengen zu einer Festig keitserhöhung und Dehnungsabnahme. ei~er Es gibt viele technische Weichmacherarten und Mischungen. Häufig verwen sind Trikresylphosphat, Palatinol, Mesamoll, Plastenol, ~ete Weich~acher ~denol u.a .. Es ist in diesem Rahmen nicht möglich, die Eigenarten der verschiedenen Weichmacher und die einzelnen Untersuchungsverfahren zu be (6-9). handeln Die weichmachende Wirkung der einzelnen Weichmachertypen ist hinsichtlich der Härteminderung, der Kältefestigkeit, der Einfrierzone etc. verschieden. Die Einfriertemperat,ur von PVC kann durch zunehmenden Weichmachergehalt von ca. +800C bis -30°C verschoben werden. Als Einfrier- bzw. Erweichungs temperaturbereich eines Werkstoffes bezeichnet man den Temperaturbereich, Seite 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen in welchem sich ein plötzlicher Abfall der Zug- und Biegefestigkeit voll zieht. Der gleiche Abfall läßt sich bei der Untersuchung des Elastizitäts moduls, des Torsionsmoduls und des reziproken Dielelektrizitätsfaktors beobachten (8,9). Außerdem fand JENCKEL, daß die Volumenänderung mit der Temperatur in diesem Einfriertemperaturbereich sprunghaft ansteigt. In der Abbildung 4 ist das Ergebnis von Untersuchungen an weichgemachten PVC (3). Schweißdrähten in unserem Institut wiedergegeben Der sprunghafte Ab fall der Zugfestigkeit verschiebt sich mit zunehmendem Weichmachergehalt zu niedrigeren Temperaturen hin. 700 • \ 'N' s600 o '-.... ~ ~500 t 200 1100 o 15 20 30 40 50 60 70 c] Tempera ture ---I.. ... A b b i 1 dun g 4 Kurzzeitzerreißfestigkeit ~ der Schweißdrähte mit verschiedenem Weich z macheranteil abhängig von der Temperatur. Weichmacher: Trikresylphosphat % Parameter: Weichmachergehalt in Die Einfriertemperatur wird also mit steigendem Weichmachergehalt zu nie drigeren Temperaturen hin verändert. Bei einer Zusammensetzung 77 % PVC % und 23 Weichmacher vom Typ Trikresylphosphat sind Raumtemperatur und Einfriertemperatur identisch. Mit der Einfriertemperatur verschiebt sich dber auch -der Hochelastizitätsbereich zu den niederen Temperaturen hin. Bei Raumtemperatur befindet sich z.B. Weichmipolam im Hochelastizitätsbe reich, wie weiter unten noch nachgewiesen wird. Seite 10
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